淺析山嶺鐵路隧道構(gòu)造復(fù)雜區(qū)軟巖大變形施工控制技術(shù)

譚 勇

（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

成蘭鐵路區(qū)域范圍內(nèi)受強(qiáng)烈新構(gòu)造運(yùn)動的影響，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，部分隧道在施工過程中均遇到了軟巖大變形問題，給施工帶來了挑戰(zhàn)。其中德勝隧道需要穿越炭質(zhì)千枚巖夾粉砂巖地層，這些地層在施工之前受到高強(qiáng)度地應(yīng)力影響均出現(xiàn)了嚴(yán)重變形。圍巖變形原因和過程異常復(fù)雜。本文以新建成蘭鐵路成都至川主寺段德勝隧道施工為背景，對山嶺地區(qū)鐵路隧道建設(shè)中遭遇的構(gòu)造復(fù)雜區(qū)軟巖大變形施工的控制技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

德勝隧道位于松潘縣境內(nèi)，正洞全長22.943km，洞身最大埋深約750m，地處龍門山斷裂帶、西秦嶺褶皺帶、岷江斷裂帶構(gòu)成的“A”形斷裂塊中。這3條斷裂帶均為區(qū)域性活動斷裂，均具有強(qiáng)震發(fā)震歷史，是我國青藏高原東部地區(qū)重要的活動斷裂帶，其中岷江活動斷裂帶距線路左側(cè)僅為0.5~3.5km，特殊的地形地質(zhì)條件呈現(xiàn)出典型的“四極三高”特征（即地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力、高地震烈度和高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)）。隧道圍巖多為軟弱破碎的炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖等，受復(fù)雜活躍的構(gòu)造帶影響，巖體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的揉皺扭曲和擠壓破碎，風(fēng)化程度嚴(yán)重，軟巖破碎巖體條件下施工環(huán)境極差。

2 軟巖大變形施工現(xiàn)狀

德勝隧道巖體強(qiáng)度普遍低于3MPa，根據(jù)水壓致裂法測試結(jié)果可知隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力約25.8MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.25，根據(jù)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比判定大變形等級為輕微~嚴(yán)重。施工過程中隧道最大拱頂沉降和水平收斂分別達(dá)到1115.2mm和2674.0mm，變形速率最大可達(dá)95.2mm/d，且變形持續(xù)時(shí)間長，出現(xiàn)嚴(yán)重的混凝土開裂剝落、鋼架折斷失效等災(zāi)害現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)場圖

3 隧道大變形影響因素

施工中遇到的軟巖隧道大變形通常為多種因素疊加作用的結(jié)果。為了更好地了解掌握軟巖隧道大變形影響因素[1]，以成蘭鐵路德勝軟巖隧道為例開展巖石力學(xué)試驗(yàn)以及施工因素方面的綜合分析。

3.1 高地應(yīng)力

地應(yīng)力強(qiáng)弱是決定隧道圍巖是否發(fā)生變形的根本性因素，如果圍巖地應(yīng)力較高，圍巖容易發(fā)生餅化現(xiàn)象，即容易發(fā)生變形。德勝隧道圍巖在開挖之前具有非常高的初始地應(yīng)力，主要以構(gòu)造應(yīng)力為主，當(dāng)原始平衡狀態(tài)被破壞后則發(fā)生擠壓變形。隧道變形程度主要取決于最大水平主應(yīng)力與隧道軸線之間的關(guān)系，如果最大水平主應(yīng)力與隧道軸線之間交角較小，即兩者方向基本一致，則有助于保持圍巖穩(wěn)定性。

3.2 地層巖性

不同巖性具有不同的礦物成分和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此巖性也會對隧道圍巖變形產(chǎn)生顯著影響。德勝隧道圍巖以千枚巖為主，其礦物成分包括云母、石英以及綠泥石等，同時(shí)容易發(fā)育節(jié)理裂縫，這從根本上決定了千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度較小，通常不足3MPa，千枚巖還具有良好的可塑性、崩解性以及遇水軟化性，這些均容易導(dǎo)致其在應(yīng)力作用下發(fā)生變形。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

德勝隧道位于岷江斷裂帶，施工區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)育多條斷裂，復(fù)雜構(gòu)造帶中地應(yīng)力賦存條件復(fù)雜，導(dǎo)致局部區(qū)域往往存在極高地應(yīng)力。在隧道開挖過程中，一方面巖體會向著隧道凈空方向發(fā)生形變，另一方面原本擠密的破碎巖體內(nèi)部會發(fā)生各種剪切以及滑移等，也容易導(dǎo)致圍巖形變[2]。

3.4 工程擾動

工程擾動是影響隧道圍巖變形的主要外部因素，在隧道開挖之前圍巖整體保持良好的平衡狀態(tài)，受到爆破振動、施工用水浸濕等擾動將打破圍巖初始平衡應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，部分地應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，部分地應(yīng)力以形變能形式釋放，導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展并連通，巖樣整體弱化。

3.5 地下水影響

地下水對巖石具有一定的軟化和崩解作用，通常來說在高地應(yīng)力條件下千枚巖的含水率非常低，巖石力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但是在開挖之后會形成過水通道，地下水會逐漸向隧道內(nèi)匯聚，特別是在雨季這種現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致千枚巖中的含水率升高，力學(xué)性質(zhì)下降。

總的來說，洞室開挖卸荷后，洞周徑向應(yīng)力的減小和切向應(yīng)力的增大使得應(yīng)力差增大，當(dāng)巖體所受應(yīng)力超過起裂應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部裂紋進(jìn)一步貫通，加劇了松動圈快速發(fā)展，德勝隧道大變形的產(chǎn)生機(jī)理是碎脹效應(yīng)和擠壓效應(yīng)的疊加結(jié)果。

4 軟巖隧道大變形施工控制技術(shù)

德勝隧道施工過程中針對可能出現(xiàn)的圍巖大變形，以“控制變形”為前提，施工過程中遵循“控制進(jìn)尺、分步預(yù)留、錨撐結(jié)合、加強(qiáng)措施、快速封閉、動態(tài)調(diào)整”的大變形處理原則，是確保施工順利的關(guān)鍵。

4.1 軟巖大變形的預(yù)測

首先應(yīng)該對掌子面揭示圍巖狀態(tài)進(jìn)行了解，采取基于地質(zhì)雷達(dá)測試、聲波法測試、多點(diǎn)位移計(jì)測試相結(jié)合的判定方法，然后采取針對性防控措施[3]。軟巖大變形圍巖典型特征：巖性主要為炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖、千枚巖，呈現(xiàn)薄層狀，構(gòu)造發(fā)育揉皺扭曲，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖石結(jié)構(gòu)散體破碎狀，開挖后自穩(wěn)能力差。

4.2 動態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量

基于變形強(qiáng)烈的嚴(yán)重大變形地段，第一層預(yù)留變形量設(shè)置為30～40cm，第二層預(yù)留變形量設(shè)置為60～70cm，對各分步臺階設(shè)置不等預(yù)留變形量，吻合變形發(fā)展規(guī)律，另外可以結(jié)合隧道兩側(cè)圍巖不同的軟硬強(qiáng)度，適時(shí)調(diào)整隧道開挖中線與線路軸線的偏離值，更好控制形變。

4.3 三臺階預(yù)留核心土法開挖施工

三臺階分部開挖減小斷面開挖面積，有效控制掌子面掉塊、溜塌，上部核心土留置考慮上臺階和先行側(cè)中臺階，核心土面積宜大，控制掌子面變形和溜塌，中、下臺階不留核心土，僅于后行側(cè)中、下臺階留置巖柱。上、中、下臺階斷面高度分別為4.5m、4m和3m，隧道初支封閉成環(huán)空間跨度上距離掌子面不能超過30m，時(shí)間跨度上不大于25d。

4.4 強(qiáng)化超前支護(hù)控制

對于輕微、中等大變形段采用Φ42mm 超前小導(dǎo)管支護(hù)，對于嚴(yán)重大變形段采用超前管棚支護(hù)，給隧道拱頂形成了良好傘形保護(hù)結(jié)構(gòu)，有效防止拱頂圍巖坍塌。其中超前管棚為Φ108mm、壁厚6mm 的熱軋無縫鋼管，單根長度8m，環(huán)向間距40cm，縱向有效搭接長度≥3m，拱部120°范圍設(shè)置。

4.5 初支拱架安裝

全環(huán)設(shè)置HW200型鋼鋼架，縱向0.6m/榀，Φ8鋼筋網(wǎng)片20cm×20cm，鋼架之間通過I20b 型鋼進(jìn)行縱向連接，全面提升鋼架整體強(qiáng)度，嚴(yán)重大變形洞段第二層初期支護(hù)根據(jù)監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)施作，當(dāng)一支未封閉成環(huán)變形量就超過初支預(yù)留變形量的50%時(shí)，及時(shí)施作二次支護(hù)，未超過50%且初支無明顯破壞特征則在一支封閉成環(huán)后施作。針對HW200 鋼拱架重、整體工作量大以及安裝速度慢等問題，在進(jìn)行雙層拱架安裝時(shí)通過專門的鋼架安裝機(jī)進(jìn)行安裝，保障了施工效率和質(zhì)量，也有助于保障施工安全[4]。

4.6 長短錨桿組合體系

松動圈測試表明德勝隧道拱頂及仰拱部位松動圈均較小，基于此在隧道拱部和邊墻區(qū)域分別通過短錨桿和長錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿類型采用Φ25組合中空錨桿及Φ 32自進(jìn)式錨桿，短錨桿長度分別為4m、6m，長錨桿長度10m，對于嚴(yán)重大變形段為了提升支護(hù)能力在仰拱部位增設(shè)額外5m 短錨桿，在系統(tǒng)錨桿鉆孔作業(yè)中選擇錨桿臺車或三臂鑿巖臺車，滿足鉆孔深度和鉆孔角度要求。

4.7 大直徑鎖腳錨管

在鋼架節(jié)段連接處施作Ф89×6m錨管，下插角45°（必要時(shí)管內(nèi)增設(shè)HRB400φ18四肢箍鋼筋籠，增強(qiáng)錨管的整體抗彎剛度），采用20mm鋼板定位卡具，將大直徑鎖腳錨管、鋼架翼緣、鋼板相互間焊接牢固，管內(nèi)注漿固結(jié)管周一定范圍內(nèi)松散巖體，形成擴(kuò)大基樁，以分散和傳遞初期支護(hù)體系應(yīng)力至未受洞室開挖擾動的巖體中，有效控制初期支護(hù)體系的整體下沉。

4.8 拱架背后補(bǔ)償注漿

可以減弱巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙后端部的應(yīng)力集中效應(yīng)，從而將巖體由裂隙拓展破壞轉(zhuǎn)變成為剪切或拉伸破壞，提高初期支護(hù)整體的剛度和穩(wěn)定性，有利于隧道承載和控制變形。采用Φ42×5m 鋼花管，間距為1.2m×1.0m（環(huán)×縱），在垂直結(jié)構(gòu)面打設(shè)鋼花管，選用水泥漿進(jìn)行注漿?；诘囟魏源_定注漿液參數(shù)，對于常規(guī)地段水泥漿液水灰比為0.6∶1，對于含水較高地段選擇水泥-水玻璃雙漿液，兩者之間比例為1∶1.27。注漿壓力控制在0.5~2MPa區(qū)間范圍，并采用由下往上、由少水到水多的注漿順序。

4.9 隧底加固微型樁

為了預(yù)防仰拱上浮，在仰拱設(shè)置微型樁，微型樁間距1.2m×1.8m（橫×縱），樁長20m，鉆孔采用Ф146跟管鉆進(jìn)，鋼筋束由4根Ф25鋼筋和φ42連接鋼管組成，鋼筋與連接鋼管采用焊接，連接鋼管單節(jié)長5cm，間隔1m設(shè)置一處。鋼筋束長20m，安裝時(shí)內(nèi)設(shè)Ф20 聚乙烯注漿管。注漿材料采用M35水泥砂漿。仰拱填充底部1.8m范圍與仰拱襯砌整體配筋，微型樁鋼筋伸入整體仰拱內(nèi)錨固。

4.10 監(jiān)控量測與斷面檢測

在德勝隧道開工之后，軟巖大變形地段變形發(fā)展非?？欤m然可以通過監(jiān)測方式來獲取相關(guān)的形變數(shù)據(jù)，但是通常來說監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)性較差，并且與實(shí)際形變之間存在較大差異。針對該問題，有必要在隧道開挖施工中通過三維激光掃描儀非接觸式斷面掃描儀等進(jìn)行斷面檢測，可以獲得更為準(zhǔn)確有效的形變數(shù)據(jù)[5]，為后續(xù)作業(yè)提供依據(jù)。

5 軟巖大變形控制效果

德勝隧道通過上述措施，規(guī)避了常規(guī)分部開挖導(dǎo)致的復(fù)雜工序交接，規(guī)避了臨時(shí)支護(hù)的安裝和拆除，有助于后續(xù)機(jī)械化作業(yè)，同時(shí)還可以有效降低工作量和工程費(fèi)用。采取措施前后變形情況對比如圖2所示，從中可以看到拱頂累計(jì)沉降降低36%，水平收斂減少34%。同時(shí)大變形段一般沉降速率為3~15mm/d，收斂速率為3～20mm/d，最大沉降速率為24.3mm/d，最大收斂速率為25.9mm/d；一般累計(jì)變形為300~350mm，收斂趨于穩(wěn)定時(shí)間一般為40~60d，最長可達(dá)3個(gè)月。德勝隧道圍巖變形問題得到有效控制，施工效率顯著提升，平均月進(jìn)度為20m，最大月進(jìn)尺達(dá)到26m。

圖2 采取措施前后變形情況對比

6 結(jié)束語

新建成蘭鐵路成都至川主寺段德勝隧道在施工過程中遭遇的由于高地應(yīng)力引起的大變形問題，針對其變形特性以及變形影響因素，以“控制變形”為前提，施工過程中遵循“控制進(jìn)尺、分步預(yù)留、錨撐結(jié)合、加強(qiáng)措施、快速封閉、動態(tài)調(diào)整”的大變形處理原則，采用合理有效的隧道大變形施工方法與控制措施，有效地解決了初期支護(hù)變形失效，軟巖松動圈擴(kuò)大問題，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，提升了工效與工程質(zhì)量，為今后山嶺深埋區(qū)域隧道軟巖大變形施工提供了參考作用，同時(shí)也對隧道洞口順層偏壓施工及淺埋段施工有一定的借鑒意義。